Управление магнитным состоянием с помощью спинового тока
Работая в лаборатории Департамента физики по исследованию квантовых материалов, интерфейсов и устройств, Као, Муццио и другие партнеры по исследованию смогли продемонстрировать доказательство концепции того, что пропусканием электрического тока через новый двумерный материал можно управлять магнитным состоянием соседнего магнитного материала без необходимости приложения внешнего магнитного поля.
На иллюстрации показана нетрадиционная трансдукция заряда в спин в квантовом материале с низкосимметричной кристаллической структурой. (Слева) Модель, показывающая кристаллическую структуру WTe 2 , где отмечены оси a и b. Кристалл инвариантен (неинвариантен) по отношению к bc (ac) зеркальному функционированию. (Вверху справа) Когда ток заряда (показан желтой стрелкой) подается вдоль оси b, имеется только плоская составляющая спиновой поляризации, как показано зелеными стрелками. (Внизу справа) С другой стороны, когда ток заряда подается вдоль оси а, появляется внеплоскостная составляющая спиновой поляризации, как показано зелеными стрелками. Этот направленный вне плоскости спиновый ток используется для переключения намагниченности в этой работе. Предоставлено: Университет Карнеги-Меллона.
Новаторская работа, которая была опубликована в журнале Nature Materials в июне и на которую подана соответствующая заявка на патент, потенциально может применяться для хранения данных в потребительских товарах, таких как цифровые камеры, смартфоны и ноутбуки.
«То, что мы здесь делаем, — это использование ультратонких материалов — часто толщиной в несколько атомов — и наложение их друг на друга для создания высококачественных устройств», — сказал Као (справа), который был первым автором статьи.
Симранджит Сингх, доцент физики, и Джиоти Каточ, доцент физики, руководят группой LIQUID, которая исследует внутренние физические свойства двумерных квантовых материалов, таких как дителлурид вольфрама (WTe 2 ), а также их электронные и спиновые свойства, характеристики.
«Спины и магнетизм окружают нас повсюду», — сказал Сингх. «Атомы определенным образом формируют атомную решетку, которая, в свою очередь, определяет свойства материала. Для WTe 2 он имеет низкосимметричную кристаллическую структуру, которая позволяет нам генерировать особый вид спинового тока путем приложения электрического поля».
То, как атомы сконфигурированы в WTe 2 , допускает направленный вне плоскости спиновый ток, который, в свою очередь, можно использовать для управления состоянием намагниченности магнита. Сингх сказал, что для переключения магнитного состояния (вверх или вниз) большинства магнитных материалов с помощью изученного до сих пор спинового тока магнитное поле прикладывается горизонтально или в плоскости. Наличие материала, который может переключать магнетизм без необходимости внешнего магнитного поля, может привести к созданию энергоэффективных устройств хранения данных и логических устройств.
Работа может быть применена к устройствам магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM), которые потенциально могут реализовать высокоскоростные и плотно упакованные биты хранения данных при меньшем энергопотреблении.
«Люди уже могут это сделать, вы можете взять материал, применить электрическое поле для генерации плоскостно-ориентированного спинового тока и использовать его для переключения намагниченности из верхнего состояния в нижнее или наоборот, но для этого требуется внешний источник. магнитное поле», — сказал Муццио (слева). «Это сводится к тому, чтобы найти материал, который обладает внутренним свойством, включающим нарушение симметрии».
Као поделился знаниями в области магнетизма, а Муццио понял, как создавать устройства, а также изучал поведение электронов в материальных системах. Чтобы показать воспроизводимость поведения, Као и Муццио за два года создали более 20 устройств.
По словам Као, простые устройства очень малы и позволяют переключать переключатель либо в верхнее, либо в нижнее положение, что можно представить как нули и единицы в двоичном формате. Хотя устройства могут иметь длину или ширину от 3 до 50 микрон, их толщина составляет менее 1/200 человеческого волоса.
«Мы только что коснулись того, на что способен этот материал, — сказал Муццио. «У нас есть гораздо больше пространства параметров для изучения и так много способов использования этого материала. Это только начало».
